福特號(hào)航空母艦上的螺旋槳，重達(dá)30噸，請(qǐng)對(duì)比左下角那5人。
在我們印象中，船無非就是在尾部吊裝一個(gè)或幾個(gè)螺旋槳以進(jìn)行推進(jìn)，如上圖福特號(hào)航母這般。
然而，不少非軍迷朋友所不了解的是，諸如美國(guó)海狼級(jí)核潛艇，英國(guó)機(jī)敏級(jí)等先進(jìn)核潛艇，卻是使用“泵射推進(jìn)”。
而像美國(guó)瀕海戰(zhàn)斗艦等這樣的高速艦使用的又是“噴水推進(jìn)”，咱們先說后者，因?yàn)閮烧邩O為類似。
何為噴水推進(jìn)？
上圖為美國(guó)瀕海戰(zhàn)斗艦獨(dú)立號(hào)，它使用的就是“噴水推進(jìn)”。
使用“噴水推進(jìn)”的艦船，我們?nèi)魏螘r(shí)候都甭想看到它的螺旋槳，最多只能看到上圖那4個(gè)裝置。
怎么運(yùn)作的？
運(yùn)作的大概原理就如上面的剖視動(dòng)圖。靜態(tài)圖如下：
推進(jìn)時(shí)，就是下圖這樣子。
據(jù)一些資料上說，某大型船只上的噴水推進(jìn)裝置，其總流量非常驚人，相當(dāng)于美加邊界的尼亞加拉瀑布的平均水流量。
到這里，有的網(wǎng)友會(huì)有疑問，傳統(tǒng)的螺旋槳外露推進(jìn)，可以方便轉(zhuǎn)向和倒車。而使用噴水推進(jìn)的船只又是如何實(shí)現(xiàn)拐彎和倒車的？
倒車很簡(jiǎn)單，原理恰如上面的動(dòng)圖。
而轉(zhuǎn)向的原理，咱們來看看美國(guó)瀕海戰(zhàn)斗艦獨(dú)立號(hào)的變種姊妹艦，USS Tulsa (LCS-16) 塔爾薩號(hào)。
塔爾薩號(hào)安裝4個(gè)噴水推進(jìn)，全功率推進(jìn)時(shí)，每秒的水流量24000加侖，合每秒90噸水流量。
作為對(duì)比，我國(guó)黃果樹大瀑布水流量一般保持在每秒8至12噸，當(dāng)然，黃果樹片區(qū)普降大雨時(shí)例外（最大時(shí)，黃果樹大瀑布水流量高達(dá)每秒690噸）。
瀕海戰(zhàn)斗艦上的每一個(gè)“噴水推進(jìn)”裝置都如此靈活，這讓瀕海戰(zhàn)斗艦相比于其他戰(zhàn)艦，操作更靈活。
泵射推進(jìn)
“泵射推進(jìn)”與“噴水推進(jìn)”原理是相似的，只不過，前者用在核潛艇上，后者多用在軍艦和民用船舶上。
一個(gè)在水面，一個(gè)潛行于水下，我們總不能期望它們的推進(jìn)裝置長(zhǎng)相一樣，稱呼還一樣。
老式潛艇上的螺旋槳，圖片來自Weston Westmoreland。
而現(xiàn)代的先進(jìn)核潛艇是看不到螺旋槳的。
某些先進(jìn)核潛艇的泵射裝置如上圖，而實(shí)物圖如下：
圖片來自美國(guó)海軍研究所的Jeff Head。
上圖為造價(jià)23億美元的美國(guó)弗吉尼亞級(jí)攻擊型核潛艇，因?yàn)楹藵撏Ф际歉鞔髧?guó)的核心機(jī)密，故這艘弗吉尼亞級(jí)攻擊型核潛艇上浮時(shí)，其泵射裝置是用一塊布遮擋起來的，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)無法知曉。
因此，我們只能通過上面這張大概的參考圖來略知一二，而實(shí)際結(jié)構(gòu)可能會(huì)出入很大。
總之，我們只要知道，泵射推進(jìn)跟噴水推進(jìn)有一點(diǎn)是類似的，都是用“管子”將螺旋槳包起來。
泵射推進(jìn),有哪些優(yōu)勢(shì)？
核潛艇使用泵射推進(jìn)，核心出發(fā)點(diǎn)就是為了靜音。螺旋槳外漏容易產(chǎn)生空泡噪音，這會(huì)讓核潛艇難以成為真正意義上的“大洋黑洞”。
上圖為螺旋槳在水中產(chǎn)生空泡的高速攝影圖?？张莸漠a(chǎn)生跟壓力密切相關(guān)，而用“管子”把槳葉包起來后，管子里的水流很急，槳葉受到的動(dòng)壓很大，空泡不容易產(chǎn)生。
美國(guó)海軍工程試驗(yàn)站為了對(duì)比泵射推進(jìn)和普通螺旋槳推進(jìn)時(shí)的噪音。他們上世紀(jì)曾經(jīng)做過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，泵射推進(jìn)比普通的螺旋槳推進(jìn)最高可低20分貝左右，差距非常大。
而在艦艇上使用噴水推進(jìn)，最大的好處是操縱性和倒車性能優(yōu)越；艦體外的附件少，減少了阻力。
另外，跟外露螺旋槳相比，使用噴水推進(jìn)的船可在淺水活動(dòng)，因?yàn)橹灰胨诒谎蜎]就行。還有就是，因?yàn)樾D(zhuǎn)部件是包裹起來的，所以里面的槳葉能得到很好的保護(hù)，不會(huì)切割外面的礁石和魚兒。
鯨魚背上的累累疤痕，拜某條船的上的螺旋槳所賜。
也正因此，一些救生艇也使用噴水推進(jìn)。原因不難理解，我們得把人完完整整地救上船，而不是弄成幾塊后……
我國(guó)的潛艇用無軸泵噴推進(jìn)器
在核潛艇推進(jìn)裝置研發(fā)上，中國(guó)已取得領(lǐng)先美國(guó)的技術(shù)成果。由中國(guó)武漢海軍工程大學(xué)馬偉明院士團(tuán)隊(duì)研制的“潛艇用無軸泵噴推進(jìn)器”，將應(yīng)用在中國(guó)下一代核潛艇上！“無軸泵噴推進(jìn)器”，是世界各海軍強(qiáng)國(guó)競(jìng)相開發(fā)的新型推進(jìn)裝置，它比“有軸泵噴推進(jìn)器”要先進(jìn)一代。目前，英美等國(guó)海軍最先進(jìn)的核潛艇上，配裝的均是“有軸泵噴推進(jìn)器”。
2017年5月30日，中國(guó)中央電視臺(tái)播發(fā)報(bào)道，稱中國(guó)工程院院士、中國(guó)武漢海軍工程大學(xué)馬偉明少將所在團(tuán)隊(duì)研制的“潛艇用無軸泵噴推進(jìn)器”，在技術(shù)領(lǐng)先美國(guó)十年。中國(guó)的下一代核潛艇上，將用上中國(guó)自主研發(fā)的“無軸泵噴推進(jìn)器”。
圖注：英國(guó)“機(jī)敏”級(jí)核潛艇也使用泵噴推進(jìn)器，不過是有軸的
圖注：美國(guó)“弗吉尼亞”級(jí)核潛艇，尾部的圓柱狀裝置就是泵噴推進(jìn)器
無軸泵噴則是把驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)葉輪改成電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而且電動(dòng)機(jī)不是安裝到潛艇的中心軸線，而是布置在環(huán)狀導(dǎo)管內(nèi)，不需要中心驅(qū)動(dòng)軸，螺旋槳（轉(zhuǎn)子）也不再是一體式的，而是由多個(gè)單獨(dú)的葉片組成，從中心驅(qū)動(dòng)變成了四周驅(qū)動(dòng)，所以叫無軸泵噴。
圖注：國(guó)外研制的無軸螺旋槳，能看出轉(zhuǎn)子不是一體式的，而是由多個(gè)單獨(dú)的葉片組成，從中心驅(qū)動(dòng)變成了四周驅(qū)動(dòng)
大家知道，潛艇按所用動(dòng)力裝置來分類，可分為常規(guī)動(dòng)力潛艇與核動(dòng)力潛艇兩大類。按所用推進(jìn)裝置來分，可分為螺旋槳推進(jìn)器潛艇與泵噴推進(jìn)器潛艇兩大類。
泵噴推進(jìn)器，是一種比螺旋槳推進(jìn)器運(yùn)行噪聲更小、推進(jìn)效率更高、技術(shù)上更先進(jìn)的推進(jìn)器。
潛艇用推進(jìn)螺旋槳在運(yùn)行時(shí)，由于葉片振動(dòng)及空泡的存在，會(huì)產(chǎn)生很大噪聲。這種噪聲輻射到海水中后，容易被敵方反潛聲吶捕捉到。
為降低潛艇推進(jìn)螺旋槳的運(yùn)行噪聲，人們想了很多辦法。其中一種辦法就是給潛艇配備七葉大側(cè)斜螺旋槳。潛艇是否采用七葉大側(cè)斜推進(jìn)螺旋槳，曾是潛艇是否先進(jìn)的一個(gè)標(biāo)志。七葉大側(cè)斜螺旋槳，是一種噪聲較低的推進(jìn)裝置。
但七葉大側(cè)斜螺旋槳并不是一種完美的推進(jìn)裝置。
科學(xué)家與工程師經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果在螺旋槳外面罩上一個(gè)隔音隔振的導(dǎo)流罩，就可進(jìn)一步降低螺旋槳的運(yùn)行噪聲。
科學(xué)家與工程師繼續(xù)研究下去，就弄出了一種比螺旋槳推進(jìn)器更先進(jìn)的潛艇用推進(jìn)裝置——泵噴推進(jìn)器。與傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)器相比，泵噴推進(jìn)器在外觀上的最大特點(diǎn)是，它的推進(jìn)槳葉，被包裹在一個(gè)環(huán)形導(dǎo)流罩內(nèi)。
泵噴推進(jìn)器在大幅提高推進(jìn)效率的同時(shí)，輻射出的噪聲比七葉大側(cè)斜螺旋槳還要低很多。
最早在潛艇上使用泵噴推進(jìn)器的國(guó)家，是英國(guó)。步英國(guó)后塵，美國(guó)人也為自己的核潛艇開發(fā)了泵噴推進(jìn)器。目前，英國(guó)的“特拉法爾加級(jí)”“機(jī)敏級(jí)”、與美國(guó)“海狼級(jí)”“弗吉尼亞級(jí)”等先進(jìn)攻擊核潛艇上，都采用了泵噴推進(jìn)器。美國(guó)正在規(guī)劃中的下一代戰(zhàn)略導(dǎo)彈核潛艇“哥倫比亞級(jí)”，也鐵定要使用泵噴推進(jìn)器。
因受時(shí)代與技術(shù)的限制，截至目前，歐美國(guó)家所有先進(jìn)核潛艇使用的“泵噴推進(jìn)器”，都是“有軸泵噴推進(jìn)器”。
“有軸泵噴推進(jìn)器”在結(jié)構(gòu)上，由固定不動(dòng)的環(huán)形導(dǎo)流罩與其內(nèi)的螺旋槳兩部分組成。螺旋槳的作用是驅(qū)動(dòng)海水從導(dǎo)流罩內(nèi)部流過，從而產(chǎn)生推力。但它的螺旋槳，仍是由一根來自潛艇耐壓殼內(nèi)的傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)的。這根傳動(dòng)軸，一頭連著潛艇艇內(nèi)的蒸汽輪機(jī)或電動(dòng)機(jī)，一頭連著螺旋槳的中心軸。
采用“有軸泵噴推進(jìn)器”的潛艇，仍有貫穿艇體耐壓殼的傳動(dòng)軸系存在。因而，潛艇在航行時(shí)，這個(gè)傳動(dòng)軸系與艇體、傳動(dòng)軸系與泵噴推進(jìn)器之間，會(huì)相互影響而產(chǎn)生可暴露潛艇行蹤的噪聲。
所有的電動(dòng)機(jī)，都由定子與轉(zhuǎn)子兩大部分構(gòu)成；泵噴推進(jìn)器，也由外部的環(huán)形導(dǎo)流罩與罩內(nèi)的推進(jìn)槳葉兩部分組成。
在“無軸泵噴推進(jìn)器”中，電動(dòng)機(jī)的定子被集成在環(huán)形導(dǎo)流罩中，與環(huán)形導(dǎo)流罩合二為一了；電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子則與導(dǎo)流罩內(nèi)的推進(jìn)槳葉融為一體了。
或者說，在“無軸泵噴推進(jìn)器”中，其推進(jìn)槳葉，是直接由安裝在導(dǎo)流罩內(nèi)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的，而不是由來自艇體內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)。
“有軸泵噴推進(jìn)器”推進(jìn)槳葉，由中心軸驅(qū)動(dòng)。而“無軸泵噴推進(jìn)器”的推進(jìn)槳葉，由導(dǎo)流罩內(nèi)的電動(dòng)機(jī)從四周驅(qū)動(dòng)，根本就沒有中心軸。潛艇在配置“無軸泵噴推進(jìn)器”后，其推進(jìn)器與潛艇耐壓殼內(nèi)的汽輪機(jī)或電動(dòng)機(jī)之間，不再有復(fù)雜的機(jī)械軸系聯(lián)系。因?yàn)樵凇盁o軸泵噴推進(jìn)器”中，驅(qū)動(dòng)泵噴推進(jìn)器的電機(jī)、推進(jìn)槳葉、環(huán)形導(dǎo)流罩已被集成到一起了，或說一體化了。
“無軸泵噴推進(jìn)器”與艇體耐壓殼內(nèi)的動(dòng)力裝置，只存在電纜聯(lián)系。電纜負(fù)責(zé)將潛艇艇體內(nèi)的電力與控制信號(hào)，傳送到“無軸泵噴推進(jìn)器”上；“無軸泵噴推進(jìn)器”上配裝的各種監(jiān)控傳感器收集的數(shù)據(jù)，也通過電纜回傳到潛艇艇內(nèi)，供潛艇操作人員決策用。
（圖為中國(guó)094、093型核潛艇發(fā)射武器場(chǎng)面）
潛艇采用“無軸泵噴推進(jìn)器”的好處很多：
第一，因?yàn)闆]有“有軸泵噴推進(jìn)器”上那根來自潛艇艇體內(nèi)的主傳動(dòng)軸，所以它在運(yùn)行時(shí)，就沒有了主傳動(dòng)軸系產(chǎn)生的噪聲。
第二，由于“無軸泵噴推進(jìn)器”是把電機(jī)布置在艇體外部的環(huán)形導(dǎo)管上，所以還能節(jié)省潛艇艇體艙內(nèi)的寶貴空間；
第三，“無軸泵噴推進(jìn)器”與艇體內(nèi)部只存在電纜聯(lián)系，所以它的布置非常靈活。它可以裝在潛艇尾部正中軸線上，也可裝在潛艇尾部?jī)蓚?cè)，還能設(shè)在潛艇的各種舵上。甚至可設(shè)置在潛艇艇體內(nèi)，與潛艇融為一體。在潛艇艇體前后各開一個(gè)口子，兩個(gè)口子之間的導(dǎo)流管內(nèi)，就可放置“無軸泵噴推進(jìn)器”。
有人覺得“無軸泵噴推進(jìn)器”技術(shù)很神秘，這是一種誤解。實(shí)際上，艦船用“無軸泵噴推進(jìn)技術(shù)”，與民用電動(dòng)汽車及電瓶車上使用的“無軸驅(qū)動(dòng)技術(shù)”有很深淵源。
我們常見的電瓶車及某些電動(dòng)轎車中，就使用了“電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪技術(shù)”。“電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪技術(shù)”，就是一種“無軸驅(qū)動(dòng)技術(shù)”。因?yàn)槭褂眠@種驅(qū)動(dòng)技術(shù)的電動(dòng)轎車與電瓶車，驅(qū)動(dòng)車輪前進(jìn)的動(dòng)力，是由安裝在車輪上與車輪已合為一體的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的。裝在車輪上的電動(dòng)機(jī)，與發(fā)動(dòng)機(jī)之間，只有電纜聯(lián)系。而在普通汽車上，其發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力，需要通過變速箱與復(fù)雜的軸系作中介，才能傳遞到車輪上，以驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。
在“無軸泵噴推進(jìn)器”的研制方面，中國(guó)起步稍晚于美國(guó)，但進(jìn)步神速。從目前的研究情況來看，在該項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)上，中國(guó)已超越美國(guó)而處于全球領(lǐng)跑者地位。
但“無軸泵噴推進(jìn)技術(shù)”要實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，要成功應(yīng)用到潛艇上去，還需要解決一系列技術(shù)難題。
首先，需要解決艦船舶綜合電力技術(shù)實(shí)用化難題。因?yàn)闊o軸泵噴推進(jìn)器的轉(zhuǎn)子葉輪是使用大功率電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的。這些電動(dòng)機(jī)一方面是耗電大戶；另一方面因潛艇的航速變化范圍大，所以這些電動(dòng)機(jī)工作時(shí)對(duì)電力的需求，也是在隨時(shí)變化的。潛艇需采用綜合電力系統(tǒng)，才能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)提供的電力實(shí)施精確化調(diào)度，從而使“無軸泵噴推進(jìn)器”在得到足夠與持續(xù)的電力供應(yīng)時(shí)，潛艇上其它設(shè)備與武器裝備的用電，也可得到滿足。
這一個(gè)難題，對(duì)中國(guó)來說，已不是難題。因?yàn)橹袊?guó)工程院院士、中國(guó)武漢海軍工程大學(xué)馬偉明少將領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)，已完成第二代船舶綜合電力系統(tǒng)——中壓直流船舶綜合電力系統(tǒng)的研發(fā)工作，這是一種領(lǐng)先歐美一代的先進(jìn)技術(shù)。
英國(guó)45型驅(qū)逐艦、美國(guó)“福特級(jí)”航母上使用的是第一代船舶綜合電力系統(tǒng)技術(shù)，即中壓交流船舶綜合其次，需研制出功率大、體積小、重量輕的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。排水量幾千甚至上萬噸的核潛艇，如果僅配裝一臺(tái)“無軸泵噴推進(jìn)器”的話，這臺(tái)推進(jìn)器的可用功率，就得達(dá)到幾萬馬力。這臺(tái)推進(jìn)器所用的電動(dòng)機(jī)，在功率足夠大的同時(shí)，還必須具備體積小、重量輕特點(diǎn)。否則，它根本裝不進(jìn)“無軸泵噴推進(jìn)器”的環(huán)形導(dǎo)流管內(nèi)。
三是“無軸泵噴推進(jìn)器”所用電動(dòng)機(jī)，要能在高鹽高腐蝕性的環(huán)境中長(zhǎng)期工作?！盁o軸泵噴推進(jìn)器”的內(nèi)置電機(jī)，必須暴露在惡劣的水環(huán)境中，以讓海水流過電動(dòng)機(jī)定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙，帶走電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量，從而完成對(duì)電動(dòng)機(jī)的冷卻任務(wù)。所以，電動(dòng)機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的外壁，都需要采用特殊的防護(hù)設(shè)計(jì)?！盁o軸泵噴推進(jìn)器”的導(dǎo)流罩對(duì)電動(dòng)機(jī)起到機(jī)械防護(hù)作用，也需要專門設(shè)計(jì)。據(jù)說中國(guó)武漢理工大學(xué)的科學(xué)家，已初步解決了“無軸泵噴推進(jìn)器”電動(dòng)機(jī)防護(hù)設(shè)計(jì)難題。
